Сталь
Владельцы патента RU 2259417:
Общество с ограниченной ответственностью "Рельсы Кузнецкого металлургического комбината" (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой при изготовлении ножей, предназначенных для резки металлолома. Заявленная сталь содержит, мас.%: углерод 0,5-0,6; марганец 1,6-1,8; кремний 1,2-1,3; хром 1,2-1,4; молибден 0,25-0,40; ванадий 0,12-0,20; азот 0,012-0,020; алюминий 0,015-0,035; железо - остальное. При этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфор не более 0,020. Техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств стали и эксплуатационной стойкости ножниц, изготовленных из неё. 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к стали, используемой при изготовлении ножей, предназначенных для резки металлолома.
Известна выбранная в качестве прототипа сталь 6ХВ2С [1], содержащая, мас.%: углерод 0,55-0,65, марганец 0,15-0,40, кремний 0,5-0,8, хром 1,0-1,3, вольфрам 2,2-2,7, фосфор не более 0,030, серы не более 0,030.
Существенным недостатком данной стали является низкая эксплуатационная стойкость ножниц, обусловленная пониженным комплексом физико-механических свойств. При этом в стали содержится значительное количество вольфрама, а сама сталь, относящаяся к перлитным сталям, требует соответствующей термообработки, все это в свою очередь значительно увеличивает стоимость стали.
Желаемым техническим результатом изобретения является повышение комплекса физико-механических свойств и эксплуатационной стойкости ножниц.
Для достижения этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром и железо, дополнительно содержит молибден, ванадий, азот и алюминий при следующем соотношении компонентов: углерод 0,5-0,6, марганец 1,6-1,8, кремний 1,2-1,3, хром 1,2-1,4, молибден 0,25-0,40, ванадий 0,12-0,20, азот 0,012-0,020, алюминий 0,015-0,035, железо остальное, при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфора не более 0,020.
Получение высокопрочной стали с бейнитной структурой связывают с уменьшением содержания углерода. Для образования этой структуры необходимо сдвинуть начало превращения вправо и снизить температуру превращения ниже 400°С. Это достигается за счет легирования, обеспечивающего измельчение структуры, дисперсионное твердение и образование пересыщенного углеродом твердого раствора [2].
При снижении концентрации углерода до 0,6% и ниже образуется реечный мартенсит, который менее хрупок, чем высокоуглеродистый мартенсит крупнопластинчатой формы (0,6-0,8% С).
При введении в содержащую не более 0,6% С сталь повышенного количества марганца, кремния, хрома и легировании ванадием, молибденом, азотом, алюминием увеличивается не только прочность, но и вязкость разрушения.
Увеличение содержания марганца, кремния, хрома и введение молибдена, повышая прокаливаемость стали, исключает превращение в перлитной области, снижает температуру бейнитного превращения (нижнего бейнита) и обеспечивает получение более тонкодисперсной пересыщенной углеродом структуры, а следовательно, повышение прочных свойств, твердости по сечению изделия, сопротивления хрупкому разрушению.
Выбранные концентрации марганца, хрома, молибдена, а также растворенного в аустените ванадия обеспечивают переохлаждение аустенита до температуры ниже 400°С с образованием бейнита и реечного мартенсита. Эта структура обеспечивает наилучшее соотношение прочностных и вязкостных свойств и наибольшую износостойкость и более высокий предел усталости, приводит к снижению критической температуры хрупкости.
Увеличение содержания марганца до 1,8% уменьшает отрицательное влияние углерода на порог хладноломкости, он модифицирует выделение цементита, исключая выделение его по границам зерен.
Микролегирование молибденом, замедляя образование феррита и перлита и способствуя образованию бейнита, увеличивает положительное влияние хрома на прокаливаемость стали и обеспечивает получение дисперсной структуры.
Хром при содержании до 1% в отсутствии молибдена мало влияет на бейнитную прокаливаемость. При увеличении хрома до 1,3% эффективность его несколько повышается: возрастает предел прочности, увеличивается прокаливаемость, получается дисперсная структура.
Совместное введение хрома и молибдена способствует дальнейшему повышению твердости по сечению, предела текучести и временного сопротивления получению более тонкодисперсной структуры, увеличению сопротивления износу в 1,5-2 раза.
Увеличение концентрации молибдена до 0,4% уменьшает предельную скорость охлаждения.
Вязкость бейнитной стали предлагаемого состава выше, чем перлитной, бейнитные стали менее склонны к хрупкому разрушению (допускаемая глубина трещин перед возникновением хрупкого излома на 40% больше, чем в перлитных).
Введение ванадия, алюминия, азота в сталь приводит к измельчению зерна аустенита до баллов 9-12 и снижению склонности его к росту при нагреве за счет образования дисперсных частиц карбонитридов ванадия и нитридов алюминия и к дальнейшему увеличению прочностных и вязкостных свойств, а также сопротивления хрупкому разрушению при жестких условиях эксплуатации.
Для определения механических свойств было выплавлено на индукционной печи 4 плавки с химическим составом заявляемой стали.
После разливки и прокатки из стали были изготовлены ножи размером 300×180×90 мм. После нормализации ножи испытаны в промышленных условиях на установке по механической резке металлолома с усилием реза 10000 кН. В качестве прототипа приведены данные по эксплуатации на той же установке ножей из стали 6ХВ2С.
Как видно из приведенных таблиц, использование заявленной стали для изготовления ножей позволяет повысить комплекс физико-механических свойств, а также и значительно повысить эксплуатационную стойкость ножей.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Массовая доля элементов, % | |||||||||||
| состав | С | Mn | Si | Cr | Мо | V | N | AI | Р | S | W |
| 1 | 0,50 | 1,6 | 1,29 | 1,2 | 0,26 | 0,12 | 0,012 | 0,015 | 0,018 | 0,008 | - |
| 2 | 0,52 | 1,80 | 1,20 | 1,36 | 0,40 | 0,16 | 0,019 | 0,018 | 0,015 | 0,009 | - |
| 3 | 0,58 | 1,71 | 1,28 | 1,28 | 0,33 | 0,15 | 0,016 | 0,028 | 0,020 | 0,014 | - |
| 4 | 0,60 | 1,79 | 1,3 | 1,42 | 0,39 | 0,20 | 0,020 | 0,035 | 0,016 | 0,018 | - |
| Прототип | 0,55-0,65 | 0,15-0,40 | 0,5-0,8 | 1,0-1,3 | ≤0,030 | ≤0,030 | 2,2-2,7 |
| Таблица 2 Механические свойства стали | |||||||
| № | σт, 2 Н/мм2 | σв, 2 Н/мм2 | δ5, % | ψ, % | KCU+20, МДж/м2 | HRC на поверхности ножа | Эксплуатационная стойкость ножниц, часов работы |
| 1 | 174 | 182 | 9 | 20 | 0,30 | 50-52 | 70 |
| 2 | 176 | 186 | 8 | 17 | 0,30 | 51-52 | 78 |
| 3 | 170 | 182 | 9 | 20 | 0,26 | 52-53 | 81 |
| 4 | 175 | 184 | 8 | 18 | 0,28 | 50-53 | 75 |
| прототип | 164-168 | 175-180 | 5-6 | 16-18 | 0,21-0,22 | 47-49 | 30-58 |
Источники информации
1. ГОСТ 5950-73
2. Металловедение / Самохоцкий А.И., Кунявский М.Н., Кунявская Т.М., Парфеновская Н.Г., Быстрова Н.А. - М.: Металлургия, 1990. - 460 с.
Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, ванадий, азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,5-0,6 |
| Марганец | 1,6-1,8 |
| Кремний | 1,2-1,3 |
| Хром | 1,2-1,4 |
| Молибден | 0,25-0,40 |
| Ванадий | 0,12-0,20 |
| Азот | 0,012-0,020 |
| Алюминий | 0,015-0,035 |
| Железо | Остальное |
при этом в качестве примесей сталь может содержать серу не более 0,020, фосфор не более 0,020.
